水处理磁分离技术应用与研究

第 27卷 第 3期 河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报 Vo1．27 No．3 2009年 9月 JOURNAL OF HEBE1 INSTITUTE OF ARCHITECTURE AND CIVIL ENGINEERING Sep．2009 水处理磁分离技术应用与研究 董惠芳 李大功。 蒋慧丽 刘彦柱 1．武汉大学 ；2．河北建筑 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学 院； 3．北京工业大学 高碑店污水处理厂水环境恢复重点实验室；4．张家口市鸿泽排水有限公司 摘 要 介绍 了磁分 离技术在污水处理中的特点和优势，研究应用现状 ，讨论 了该技术的发展 趋势及有待解决的问题． 关键词 污水处理；磁分离技术；高梯度磁分离；磁种 中图分类号 TV1 0 引 言 现阶段国内污水处理厂均存在处理能力不足问题，尤其是在雨季时该矛盾更加突出．以北京市清河 污水处理厂为例 ，一、二期总规模 4O万 m。／d，投产运行至今虽然短短几年，但现有流域范围内的实际进 厂平均污水量已达到 47万 m。／a，在雨季时水量超过 55万 m。／a，且进水水质指标远高于原 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 值，使 现有污水处理 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 设施和设备均处于超负荷运行状态．处理厂长期处于超负荷运行状态 ，导致设备电耗 增加 ，全厂用电负荷超过设计值 ，存在供 电安全隐患 ；设备损坏和故障增多，检修频率增加 、维护量增大． 污水处理厂进水水质的严重超标 ，导致处理厂 TN和 NH。一N 出水指标不稳定 ，继而影响后续再生水厂 的出水水质．因此污水处理厂扩容改造迫切需要较为成熟的水污染控制技术． 上述实际的需求 ，实实在在地说明了对磁技术领域进行立项的必要性．我国水环境现况急需研发高 效节能省地的水处理新技术 ，以科技手段解决急迫的当前环境问题 ，而磁分离技术以其适应性强，机动 灵活，以及高效 ，省地 ，节能的特点成为了解决上述问题 的最佳选择．而采用磁技术结合混凝剂 ，则对处 理效果有很大程度的改善⋯． 1 磁技术的发展 磁技术从上世纪 70~80年代被国内外专家学者开始研究以来，在电镀废水、含酚废水、湖水、食品 发酵废水 、含油废水、钢铁废水和厨房污水处理方面取得相当的成果 ，对于重金属 、油类 、极细悬浮物 ，特 别是病原微生物 、细菌 、藻类去除有相当好的效果 ，有的已应用于实际废水处理．经过 20多年的发展 ，磁 技术 已囊括磁分离、磁回收、磁生物等多个技术分支．磁技术的处理对象 已从处理磁性污染物废水扩大 到处理非磁性污染物废水，并逐步扩展到水环境污染治理的各个领域 ，形成了较完整的工艺技术及磁技 术理论体系．磁场的引入使混凝工艺的分离速度较常用的斜管沉降法提高 10～5o倍，可极大地提高污 水处理效能并大大减少占地，易于实现自动化控制及移动式设备，在给排水及废水处理等领域均有诱人 的发展前途． 2 磁分离技术简介 磁技术是利用外加磁加载物的作用增强絮凝以达到高效沉降和过滤的 目的，其原理是向污水中投 加少量混凝剂、磁种等与污染物絮凝结合成一体，然后通过高效沉淀和磁过滤将水中的污染物去除，磁 种通过磁鼓分离器回收循环使用．磁过滤基本工作原理是在外加磁场下，磁性介质表面产生高梯度磁 场，捕集经过它的磁性颗粒． 目前磁分离技术应用于废水处理有三种方法：直接磁分离法 、间接磁分离法和微生物一磁分离法．利 用磁技术处理废水主要利用污染物的凝聚性和对污染物的加种性．凝聚性是指具有铁磁性或顺磁性的 污染物，在磁场作用下由于磁力作用凝聚成表面直径增大的粒子而后除去．加种性是指借助于外加磁性 收稿 日期 ：2009—05 09 作者简介 ：女 ，1980年生 ，助教 ，张家 口市 ，075024 第 3期 董惠芳 李大功 蒋慧丽等 水处理磁分离技术应用与研究 47 种子以增强弱顺磁性或非磁性污染物的磁性而便于用磁分离法除去，或借助外加微生物来吸附废水中 顺磁性离子 ，再用磁分离法除去离子态顺磁性污染物． 3 磁分离技术特点 3．1 高效性 众所周知 ，环保方面的一个技术难题 ，就是 如何缩 短污水处理过程 中生化反应池中的停 留曝气时 间，以提高污水处理速度．解决方法之一是寻找活性污泥 中更合适的微生物；另外一种方法 ，则是在污泥 中加入一种酶 ，以加快反应速度 ，酶在生化反应中起到相当于化学反应中催化剂的作用 ，本身不会减少． 但从生物制品、污泥 中回收酶却是一个难题．磁分离技术在此又可派上用场；利用酶 和污泥的磁化率的 差异 ，用高梯度磁分离器可将之分离．另外还有一种磁分离方法 ，就是在水 中加入强磁性磁粉 ，利用磁粉 吸附水 中的有害物质 ，然后通过磁分离器将它们吸住后清除．为了提高吸附效率 ，还可 以加入氢氧化铝 等絮凝剂，利用这种分离方法，可以分离出污水尤其是工业废水中的细菌、病毒、合成洗涤剂及重金属 (如水银 、铅 、铬等)有害物质_2]．尤其是对生物危害最大又极难去除的重金属 ，用生物法无法处理 ，而且 对微生物还有毒害作用；用化学法又极难去除干净(极微量的重金属对生物就具有较大的危害)，如大家 熟知的甲基汞 、铅及砒霜等均是剧毒．而磁分离方法却利用物理作用将之去除．由于外加磁场的作用 ，使 得污泥或者污泥与磁种的凝聚体能够 以更快的速度沉降或者被捕捉进而被去除 ，所 以该技术相对于传 统工艺 ，处理废水速度更快 、相同时间内处理能力更大，且不受 自然温度 的影响 ，对其他分离方法难 以除 去的极细悬浮物及低浓度的废水具有很强的分离能力．特别是高梯度磁滤分离器 的过滤速度是一般处 理用的高速过滤机的 10～30倍 ，相当于沉淀池 的 100倍．可见 ，磁分离在污水处理领域有着传统工艺不 可 比拟的高效性． 3．2 节能性 相对 于传统水处理工艺的主要消耗一用于曝气的电能消耗 ，磁分离技术 的耗电量仅相 当于其用 电 量的 5 左右．当生产达到一定规模后(4万 m。／d)后，利用高梯度磁分离还能节省 比普通磁分离更多的 消耗在磁体上的电能．虽然磁种费用是该技术不可避免的一项开支，但磁种可重复使用 ，其周期损耗不 到 l ．而且 目前可开发利用的磁种品种繁多 ，其 中有许多磁种的价格低廉 ，储量丰富 ，并且易于收集． 同时，对于中小型水厂而言 ，采用磁滤处理装置(过滤部分)与传统工艺(滤池部分)相 比，增加的 运行费用 (运行时按 投加铁粉考虑 ，回收率按 8O 计算 )为 0．49元／m。(试验设备按单独定制 ，造价比 要高得多)，但磁滤器对水 中有机物的去除效果远高于传统工艺 ，且能去除藻类，出水水质优于砂滤池 出水． 此外 ，由于其处理速度快 ，产生的污泥相对较少，可以为后续的污泥处理减轻压力 ，也就意味着降低 了污泥总的处理费用．并且 ，因为在该技术处理城市污废水的过程中主要是利用物理作用而不是传统的 生物氧化作用，所 以除了可以减少上述用于曝气 的电能消耗 ，还省去了一定量的碳 源消耗．在这个过程 中，微生物的呼吸作用不是处理过程的主要部分 ，所 以 CO 的排 出量也会减少 ，继而可以减少对大气的 污染 ． 可见 ，磁分离技术在节能性上也有其巨大的优势． 3．3 省地性 由于磁分离技术在水处理中的高效性 ，使其在相同时间内处理的污水量大于传统的水处理工艺，所 以可以使用相对更小的水处理单元进行处理． 如高梯度磁分离设备，容易实现自动化；工作高度可靠，维修量适中；占地少，以普通快滤池为例，磁 滤器 占地面积仅为其 1／6，土建量也很少 ，可 以大大缩短建设周期． 另外，磁分离技术应用于水处理工艺中，还有一个可取之处，就是净水装置不但可以小型化，还可以 灵活化 ，可以最大程度 的发挥其省地 的优势．例如，一套每小时可净水 8m。左右，磁体过水断面直径 为 200mm 的高磁处理流程 ，一辆解放牌汽车即可全部装下．这种处理车 ，车走家搬 ，极便 于为野外作业 的 流动单位 ，远离城市给水管网的散居单位或井水污染的农村乡镇等巡 回提供饮用水．所 以，磁分离技术 还兼具省地上的优势． 48 河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报 第 27卷 4 磁技术在水处理领域的应用现状 4．1 国内部分 郑必胜等人对磁分离技术的基础理论问题进行了比较系统地研究．探讨了高梯度磁分离器的分离 效果在整个分离过程中的变化特征、规律以及磁分离效率与处理周期 、处理能力之间的关系，并且发现 溶液(水及糖液等)经过磁场处理后其传热特性发生了变化．试验结果表明，随着分离过程的进行或处 理量增大，分离效率逐渐降低，一个磁分离器的生产能力和运行周期主要由所要求的分离指标来确定， 但同时受到操作条件的影响；通过研究磁分离器中颗粒的捕集行为，得 出颗粒在过滤芯磁性不锈钢丝 绒上的吸附为“多层吸附”．并且他们还发现随着磁场强度的增大，磁分离效率提高；在相同的磁场强度 下，磁性强弱不同的粒子分离效率具有显著的差异，弱磁性的粒子要在很强的磁场下才 能得到分离；对 于同种特质，颗粒大的粒子比颗粒小的粒子更易分离，含有铁、铜等金属氧化物的废水可通过高梯度磁 分离器直接过滤进行处理，而通过加入“磁性种子”进行强化，高梯度磁分离技术可以有效地处理有机工 业废水．过滤器填料影响磁场强度，进而对分离效果产生影响，实际应用中以磁性不锈钢为宜，填料越 细、填充度越高，分离效率越好 ，一般填充度以 5 ～l0 为宜． 曾胜等采用混凝土磁分离法处理厨房污水，研究了适宜的磁粉和混凝剂搭配量及加料次序的影响， 并进行了磁混凝与普通混凝的对比试验．采用 自行研制的设备连续处理含油量和悬浮物分别为 149mg／L和 285mg／L的厨房污水 ，其出水含油量及悬浮物可分别减少到 12mg／L和 68mg／L，占地面 积则仅为混凝气浮池的一半． 4．2 国外部分 国外对过滤介质 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的研究十分活跃．Petrais和 Ahner用 HGMS处理炼油厂的 API型重力式油 分水器出水，直接经过 HGMS，即使不加磁种和混凝剂，处理效果仍比 AFU的效果好．有人用场强约 lkg的永磁式磁盘分离机处理炼油厂隔油池出水，在磁种投加量为500PPM，絮凝剂PAC50ppm和助凝 剂PAM1．0ppm下，可使含油量由17~700ppm降到4．5～6．8ppm，远低于我国现行排放 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 1． Perakis和Ahner的实验还表明，磁场强度在 1～2．5kg范围内对去除率的影响似乎很小．硫酸铝 的投加量为 25ppm时即可得到油和 SS的最佳去除率． 在处理城市污水方面，一般 的城市污水 的成分不仅复杂 ，而且绝 大部分物质是非磁性 的，不能用 HGMS直接进行分离，必须先投加磁种和混凝剂． De Latour用 HGMS处理了添加 1000ppmFe。O 和硫酸铝的城市污水 ，结果表明，通过适当化学处 理可以使污水中细菌，产色物质以及各种悬浮物与磁种结合在一起 ，然后通过磁分离器分离．Bitton等 人在进行影响磁铁矿吸附病毒的因素的研究时发现，当 Al抖离子超过 100ppm时会因溶液 PH值降低 而使吸附病毒的量减少． 5 磁技术在水处理领域的发展趋势 近几年来，磁技术在水处理中单独应用研究越来越多，磁技术与其他水处理技术之间的结合研究也 十分活跃，如用磁电组合电解处理含铜废水试验研究结果表 明，磁 电解法 比普通电解处理有更好 的效 果；磁技术能有效地强化人工生态系统来处理有机污水．另外，磁场与红外线辐射、光、超声波等物理技 术相互强化处理锅炉用水，磁场与化学投药法共同作用以及与生物技术协同作用进行杀菌防毒净化饮 用水等都是值得研究的课题．例如，HGMS技术和其它技术的结合以及廉价磁种的开发都是目前研究 的重点方向． 铁氧体法是日本电气公司(NEC)研究出来的一种从废水中除去重金属的工艺技术，因铁氧体具有 较强磁性，因而可在高梯度磁场中将其分离出来，该方法比用一般沉淀法效率要高许多．此外为了把絮 凝阶段高速化、高效化，可向废水中投加絮凝剂的同时投加磁种，从而形成包裹磁种的悬浮絮绒体，因具 有磁性，废水通过梯度磁场时，污染物就被分离出来．磁絮凝可改善絮凝效果，使出水剩余浊度得到进一 步降低，絮体更紧密，尺寸和密度均增加．还可大大缩短沉降所需时间，提高絮凝效率，且易于实现固液 磁分离． 第 3期 董惠芳 李大功 蒋慧丽等 水处理磁分离技术应用与研究 49 磁种方面，有资料表明，炼钢厂排放的烟尘和气溶胶凝聚物通过静 电除尘后的“红土”状细粉就是很 好的磁种，实验证明这类磁种与商品磁粉在投加量、COD去除率、吸着分离能力等方面均无差别，而在 分散性、无需回收、价格低廉等方面更具有明显优势．所以使用廉价的顺磁性材料代替强磁材料作磁种 处理含非磁性物质的废水，用后与滤渣一并废弃，省去了磁种回收工艺，可以大大节省费用． 此外，超导磁分离技术也是近年来研究的热点．该技术是未来高梯度磁分离技术的发展方向．通常， 提高磁场强度即可提高流速，在不影响高梯度磁分离器性能的情况下可以提高废水处理量．但是，随着 处理量的增加 ，分离器的成本与耗电量也显著增高，而且 ，若超过一定流速 ，高梯度磁分离器的分离能力 就要下降．超导磁分离器可克服上述缺陷，其磁场强度可达 14T，由于超导体在临界温度以下无电阻，因 此，运行时耗电极低．它能在较大的空间范围内提供强磁场及高梯度磁场，因而可提高处理量．由于超导 磁分离器能够产生很高的磁场强度，可使废水中的悬浮状弱磁性颗粒充分磁化，从而可直接去除而不需 投加磁种． 同时，高梯度磁场磁滤除菌作为饮用水的杀菌消毒深度处理技术，与其他消毒剂相比，主要优点是 不产生有害的副产品，且简单容易、费用低．目前所用的消毒剂都是利用它的高度氧化性来消毒除菌，但 存在的问题是 ，消毒剂高度的氧化性同时也氧化水 中微量有机物而产生对人体有害的副产品．如氯气作 为饮用水消毒剂杀菌氯化时，与水中腐殖酸和黄腐酸以及其他微量有机物反应产生三卤甲烷(THMs) 和其他卤代烃化合物，这些化合物是多种疾病的致病因子；消毒剂 CIO 必须现场制备，现场使用，操作 不方便；臭氧消毒，水中大的有机物分子破裂成较小的有机物分子(如甲醛、丙酮酸等)对人体有害，如甲 醛是致癌物质；紫外线消毒也有类似问题，且处理费用高．高梯度磁场磁滤除菌技术在小型的水处理设 施方面有着很好的发展前景． 6 目前磁技术领域存在 的问题及展望 (1)磁技术系统的应用缺乏完备的工艺运行参数和大量实际工程的支撑．(2)磁技术系统 的应用缺 少深入机理研究的指导．(3)磁技术系统应用急需相应的配套管理措施，包括运营管理模式及指标技术 体系等内容． 以上问题的产生主要是因为国内对磁技术认识不够深刻，研究投入太少引起．尤其在我国建立社会 主义和谐社会 的大环境条件下 ，水环境污染的严峻形势与人民群众 的环境需求形成很大 的反差 ，迫切需 要高效节能的水污染控制新技术 ，集 中国内优势科技资源对磁技术进行深入研究变得非常急迫．该领域 的研究不仅有利于实现城市污水处理厂节能降耗 ，减少运行 费用 ，节约宝贵的土地资源，同时有利于缓 解我国当前能源紧张局面，对实现可持续发展和创建社会主义和谐社会具有重大战略意义． 参 考 文 献 [1]孙巍，李真，吴松海 ，贾绍义．磁分离技术在污水处理中的应用．磁性材料及器材，2006，(O4) [2]陈国华，杨宗毓．高梯度磁分离技术在污水处理方面的应用．环境科学与技术，2006，29(3)：lO2～108 [3]K．Tarnacki，S．Lyko，T．Wmtgens，T．Melin，F．Natau．Impact of extra—cellular polymeric substances on the fil terability of activated sludge in membrane bioreactors for landfill leachate treatment·Desalination179(2005)181～ 190 50 河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报 第 27卷 Application and Research of M agnetic Separation Technology in W ater Treatment Dong Hu(fang，LI Dagong，Jiang Huili，Liu Yanzhu 1．W uhan University；2．Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering； 3．Key Laboratory of Gaobeidian Sewage Farm，Beijing Universily of Technology； 4．Zhangjiakou Hongze Drainage Co．，lad Abstract The magnetic separation technology in the treatment of wastewater characteristics and ad— vantages is introduced soas to study the application of the status quo，And the development of the technology trends and issues to be resolved is briefly discussed． Key words sewage treatment；magnetic separation technology；high gradient magnetic separation； magnetic seed 移 痧 痧 痧 、c： (上接 第 38页) 国产锅炉的复杂情况 ，控制效果也不令人满意 ，很难在中小锅炉的自动控制中推广应用．因此，本控制系 统对工业锅炉的优化及节能控制提供了技术支持． 参 考 文 献 [1]李正军．计算机测控系统设计与应用[M]．北京：机械工业出版社，2004 E2]张亮明．工业锅炉自动控制．北京：中国建筑工业出版社，l 995 [3]刘增良．模糊逻辑与神经网络——理论研究与探索．北京：北京航空航天大学出版社，1996 E4]张乃尧．神经网络与模糊控制．北京：清华大学出版社，1998．2 Discussion of Energy‘。saving Technology of Industrial Boiler based on Intelligent Control Xin Longbiao ，Sun Yong。，Su YajJan 1．Hebei Institute of Architectural and Civil Engineering；2．Beijing Dongfang Huazhi Petroleum Engicering Co．Ltd Abstract Directed at the high energy～consuming situation of coal—fired soiler，the paper introduces an energy—saving system of industrial soiler based on intelligent contro1 ． Then it describes the struc～ ture of the director，controlling means and strategies ． It can optimize the industrial boiler control and achieve the energy-saving goa1． Key words industrial boiler；intelligent control；energy～saving